提高聚光型太阳能电池芯片效率的途径

摘要：聚光型太阳能电池能隙与太阳光谱匹配较好，理论和实际转换效率较高，与晶体硅和薄膜电池相比，具有较大优势。为进一步提高CPV系统电池芯片的效率，可采用优化电池表面结构、电池叠层、减薄电池厚度、减小串联电阻等技术和措施。

关键词：CPV电池效率；整体背电极；叠层技术

Means Improve The Efficiency of Concentrator Photovoltaic Chip

Abstract:CPV energy gap well matched with the solar spectrum, With higher conversion efficiency of theory and practice, and compared to crystalline silicon and thin-film batteries, with great advantagesTo further improve the efficiency of the CPV system chips, cell surface structure, the battery stack, thinning the thickness of the battery, reducing the series resistance and other technologies can be optimized.

Key words: CPV efficiency; Whole back electrode, Multilayer technology

1 引言

太阳能电池是光伏发电系统能量转换的关键部件。目前国际太阳能电池主流产品是晶体硅太阳能电池，占世界太阳能电池市场的80%，晶体硅电池的转换效率约为12%～20%，技术比较成熟，效率提高和成本下降的空间不大。在薄膜太阳能电池市场中，非晶硅电池份额最大，规模化薄膜太阳能电池效率已提高到7%～12%。

商品化光伏发电效率均比传统电力效率低（传统核能30%，火力发电36.8%，新式核能发电42%～57%），成本偏高，产能和电价无法与传统电力进行竞争。在此背景下，科学家和工程师研制成功一种新型高效电池━━聚光型太阳能电池（Concentrator Photovoltaic），它是近年来光伏界研究的热点。

2 CPV电池发电原理

聚光光伏发电（CPV）是利用光学系统将太阳光通过光学透镜汇聚到太阳能电池芯片上，利用光生伏打效应将光能转换为电能的技术。CPV发电系统主要由聚光型太阳能电池芯片、光学聚焦模组、太阳跟踪器和冷却装置组成。CPV发电模式根据聚焦模组可分为透射式和发

射式两种模式，透射式聚光模组主要采用菲涅尔透镜聚焦方式，而反射式模组主要采用

回转二次反射曲面聚焦方式，聚焦后的光线经过二次匀光处理后照射在高效太阳电池芯片上，以实现光电的最大转换效率(见图1和图2)。

3 CPV电池的效率

聚光型太阳能电池一般采用HCPV电池。在HCPV中电池中，砷化镓（GaAs）电池由于它的能隙与太阳光谱匹配较好，耐高温性能好，最受光伏界关注。一般硅材料只能吸收太阳光谱中波长为400～1100nm的光线能量，而GaAs电池通过聚光透镜可吸收300～1900nm波长范围的能量，从而大幅提高转换效率。与硅太阳电池比较，GaAs电池具有更高的转换效率：单结砷化镓电池的理论转换效率达到了27%，而硅电池的理论转效率约为23%。目前国际上GaAs电池效率可达31%～40%。根据IBM数据，多结GaAs电池理论转换效率可超过50%，远高于晶体硅电池和薄膜电池的理论转换效率极限，即使考虑到聚光和追踪太阳光所产生的误差损失，目前的CPV电池的转换效率可达25%，高于目前商品化晶硅电池17%左右的转换效率。因此，聚光太阳能电池被光伏界定义为第三代太阳电池。不同类型太阳能电池效率比较（见图3）。

太阳辐射能转换成电能的卡诺循效率可达95％，而目前聚光太阳能电池效率还比较低，因此效率的提高还有很大空间。据CompoundSemiconductor测算，传统硅材料太阳能电池转换效率约为17%，而相同面积、聚光效率为500倍的CPV发电效率可提高约1000倍，因此，聚光太阳能电池适用于中大型光伏电站。提高CPV电池芯片的效率，会从数量上减少其他部件和适当降低其它部件的性能要求，进而降低系统装机造价。

由CPV电池的结构可看出，大幅提高聚光模组的效率、太阳跟踪器的精度和冷却效率，会提高CPV电池的成本，因此，在聚光光伏发电技术中CPV电池效率的提高一般通过提高CPV电池芯片的效率来实现。

4 提高CPV电池芯片效率的途径

4.1减小发射区饱和电流密度

为了提高电池的开路电压和效率，必须要减小发射区饱和电流密度。一个理想的发射区应该是能让多子穿透而对少子则是阻挡，为此它应有较宽的禁带使得在掺杂后少子带中有一个附加的势垒。发射区饱和电流密度的大小代表了所有发射区中的复合机制，最好的扩散结发射区饱和电流密度在，但这样的发射结非常容易穿透，对于点接触型太阳能电池它最好的电流密度是左右。

4.2制造低的接触电阻

在对晶硅发射区生长一薄层（10～20A）Sio2界面层对于得到低的发射区饱和电流是非常重要的，但是，为了得到低的接触电阻就必须对它进行热处理，去烧穿至少1%总接触面积的氧化物。因此，在发射区饱和电流与高的接触电阻间的折中取决于氧化层的厚度和退火（烧穿）工序。

4.3减薄电池的厚度

在高倍聚光太阳能电池中，载流子复合主要是俄歇（Auger）复合，俄歇复合发生在导带中一个价电子与价带中的一个空穴复合并将能量传给另一电子，这样有效载流子数量会减少。为了减少俄歇复合，电池要做得越薄越好。在发射区复合减少后，就可能通过减少太阳能电池的厚度来减小俄歇复合率，在100μm厚的硅片上制造太阳能电池在工业化大规模生产中是可以实现的，但要在比这更薄得电池就很难生产了。

4.4优化电池表面结构设计，提高电池对光的吸收

4.4.1表面增镀透明的减反射膜：太阳光照射到电池表面时，接近1/3的光被反射而没有进入电池，这样电池单位面积上的光子密度下降，会使电池效率降低，有效的措施是在电池表面覆盖一层透明的减反射膜，在工业上大量采用PECVD沉积法进行镀膜。

4.4.2表面织构化，提高陷光性能：在设计很薄的太阳能电池时，陷光性能就成为影响效率的重要因素了。光通过电池窗口层进入电池时，未被吸收的光子通过电池背面离开电池，会降低电池的效率。较为先进的结构是采用陷光技术使电池内的光路加长。有效的表面织构使得入射光在电池表面进行多次反射和折射，可以增加光的吸收率，同时为防止未被吸收的光从电池背面离开电池，在电池背面制作反射器，将太阳光再次反射到电池中去，被电池吸收，在工艺常上采用倒金字塔形绒面结构。常用的织构制备方法为机械刻槽法和化学腐蚀法。机械刻槽利用Ｖ形刀在硅表面摩擦以形成规则的Ｖ形槽，从而形成规则的、反射率低的表面织构。研究表明尖角为３５°的Ｖ形槽反射率最低。

4.4.3采用整体背电极工艺：聚光太阳能电池接收高密度的入射光，在窗口层不能制作电极，否则会产生遮光效应，引起电池效率大幅下降。工业上主要采取整体背电极工艺，窗口层不存在遮光效应，消除了遮光效应和串联电阻之间的矛盾，这种工艺完全不用表面电极，而是在电池的背表面形成相间的PN区，这样就形成了一系列的PN结，然后用电极将载流子引出。后来又将这种工艺发展成点接触背电极工艺，首先在电池背表面形成许多P型和N型小区域，然后用电极引出载流子。这种避免前电极的工艺特别适用于聚光型太阳电池。

4.5采用叠层技术

太阳光全部辐射能中，波长在0.15～4μm之间的能量占99%以上，且主要分布在可见光区（0.4～0.76μm）和红外区（＞0.76μm），可见光占太阳辐射总能量的约50%，后者占约43%，紫外区的太阳辐射能很少，只占总量的约7%。用能带宽度与光谱划分区域匹配最好的材料做成电池，并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料吸收，波长最长的光则穿越电池让较窄禁带宽度的材料吸收，最大限度地将光变成电能，从而提高电池的效率，这是叠层电池的原理。

叠层电池采用机械叠层法制备。先制备两个独立的太阳能电池，一个是高带宽的，一个是低带宽的，然后将高带宽的堆叠在低带宽电池的上面。20世纪90年代，研发了单块/机械叠层三结III-V族太阳能电池，效率达到了34%。近年来，光伏界科学家提出了基于超晶格和多量子阱的新III-V族低维结构，以及金属和量子点中间带，预期这些结构能够得到比目前三结电池更高的理论效率。

4.6减小串联电阻

电池的串联电阻对填充因子和光电转换效率有显著的影响，在制造太阳能电池工艺中，要求尽量减小串联电阻。减小串联电阻可从两个方面进行：一是优化电池结构，包括各层的厚度和掺杂水平等，以及对高电流、低电阻、低损耗结构的设计，以减小电池的体电阻。二是在体电阻消耗一定的情况下，要优化电极栅线厚度、宽度及分布，以减小顶层接触电阻；由于聚光太阳能电池的PN结要求较深，常采用垂直结构，以减小串联电阻的影响。

5 结束语

随着半导体理论的发展和电池制造工艺的改进，聚光太阳能电池的效率在不断提高。叠层多接面技术是太阳能电池芯片目前采用的新技术，可吸收更多光谱波段的能量，背面电极技术可克服电池窗口遮光问题，是不同于其它电池的技术。表面织构化技术使光线在电池中的光路加长，提高了电池陷光性能。聚光模组效率的提高只是增加了电池单位面积上入射光子的密度，当聚光倍数达到一定程度后，受成本的制约，就不能明显提高电池的效率了。CPV电池效率理论上限的突破期望是电池芯片结构的改进，基于超晶格和多量子阱的新III-V族低维结构的聚光电池芯片可能会进一步突破电池理论效率的上限值，取得较高的理论上限。

参考文献：

[1]Swanson R M, Sinton R A, Midkiff N, Kane D E. Simplified Designs for High-Efficiency Concentrator Solar Cells, Sandia Report,SAND88-0522. Sandia National Labroatores, 1988

[2]Yamaguchi M. III–V compound multi-junction solar cells: present and future. Solar Energy Materials and Solar Cells Technology, 2001.

[3]陈维, 李戬. 太阳能利用中的跟踪控制方式的研究．能源工程, 2003, (3)．

[4]罗运俊, 何梓年, 王长贵. 太阳能利用技术. 北京：化学工业出版社, 2005．

[5]张海燕, 张崇巍. 多镜面聚光型太阳能光伏系统. 太阳能学报, 2008, (12)

[6]侯聪玲, 吴捷. 太阳能最大功率跟踪技术的研究. 河南科学, 2008, (3).

[7]徐东亮, 任 超. 太阳自动跟踪装置控制系统的研究. 机械工程与自动化. 2008(2).

[8]侯文涛, 冯舜, 刘昭亮. 聚光太阳能(CPV)将成为2010的冉冉之星. 湘财证券, 2010.